Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes

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1 Wasserbauliche Mitteilungen (2004) Heft 27 Institut für Wasserbau und THM der TU Dresden 125 Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes Der Schwerpunkt der Arbeit betrifft die Vorstellung einer Methode zur Risikoanalyse der durch Hochwasserrückhalteanlagen geschützten Gebiete für häufige bis sehr seltene Ereignisse. Anhand eines konkreten Fallbeispielen wird die Wirkung von Hochwasserrückhaltebecken auf den unmittelbar anschließenden Unterliegerbereich unter Einbezug möglicher Teilversagenszustände von Systemkomponenten (nicht jedoch des Dammes selbst) ermittelt. Die Anwendung der Monte Carlo Simulation zur Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeiten ermöglicht dabei die Abdeckung des gesamten hydrologischen Ereignisbereiches, die Szenarienbildung und verknüpfung garantiert die adäquate Berücksichtigung der möglichen Versagenszustände. 1 Einleitung Risiko wird im allgemeinen als Maß für die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Ereignisses unter Berücksichtigung der zugehörigen Konsequenzen verstanden. Eine Risikoabschätzung für hochwassergefährdete Bereiche beinhaltet demnach sowohl die Ermittlung des Gefahren- wie auch des Schadenpotenzials. Bei der Maßnahmenplanung betonen die bisherigen Ansätze das technisch Machbare. Der klassische Hochwasserschutz zum Beispiel umfasst Maßnahmen im Einzugsgebiet und am Hauptstrom und verringert die Wahrscheinlichkeit einer Überschwemmung. Auch mit aufwändigen Verbauungen wird jedoch nie ein absoluter Schutz vor den Gefahren des Hochwassers erreicht werden können. Die Erwartung, durch Schutzbauten gegen alle Gefahren der Natur gewappnet zu sein, führte außerdem an vielen Orten zu einer verhängnisvollen Wertekonzentration, die ihrerseits erhöhte Schutzansprüche stellt. Das bedeutet, dass den verbleibenden Risiken größte Beachtung zu schenken ist, da ohne deren Kenntnis eine Einbeziehung in die weitere Maßnahmenplanung (Unterhalt der Schutzbauten, Begrenzung des Schadenpotentials, Notfallplanung, Warndienste, etc.) nicht möglich ist.

2 126 Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes. 2 Problemstellung Hochwasserrückhaltebecken beeinflussen den Transportprozess. Die Hauptwirkung von Hochwasserrückhaltebecken besteht in der zeitlichen Verzögerung des Abflusses und in der - je nach Dimensionierung unterschiedlich starken - Dämpfung der Abflussspitze im Unterlauf (je größer der Abstand desto geringer ist der Einfluss). Auch bei ordnungsgemäßem Betrieb ist diese Wirkung nur bis zu einem bestimmten Bemessungshochwasser eingeplant. Darüber hinausgehende Hochwasserzuflüsse werden zwar verzögert, deren Spitze aber immer weniger gedämpft, bis bei sehr großen Zuflüssen die Wirkung des Hochwasserrückhaltebeckens praktisch vernachlässigt werden kann. Da nun aber der ordnungsgemäße Betrieb auch bei planmäßiger Überwachung und Wartung des Beckens nicht zu 100 % garantiert werden kann (wie bei allen technischen Anlagen), müssen bei einer Risikoanalyse auch die Wirkungen des Hochwasserrückhaltebeckens bei unterschiedlichen (möglichen) Randbedingungen untersucht und quantifiziert werden. Bei der Bemessung werden im Prinzip nur zwei Fälle untersucht, nämlich der ordnungsgemäße Betrieb, um das Becken zu dimensionieren, und ein Szenario zur Dimensionierung der Hochwasserentlastung, das die Bauwerkssicherheit garantieren soll. Eine Ausnahme bilden die Schweizer Richtlinien, bei denen insgesamt vier Lastfälle mit unterschiedlichen Kombinationen von Randbedingungen untersucht werden. Dort sind außerdem für den Fall eines Dammbruches auch die Auswirkungen auf die Unterlieger zu ermitteln. Allen Lastfällen gemeinsam ist, dass fixe Randbedingungen mit einem Hochwasser einer ganz bestimmten Jährlichkeit (bei zweidimensionaler Betrachtung wie in der Steiermark vorgeschrieben mehrere Hochwasserwellen der gleichen Jährlichkeit mit unterschiedlicher Kombination von Direktabflussspitze und Direktabflussvolumen) kombiniert werden. Eine ganzheitliche Betrachtung, bei der Hochwasserwellen beliebiger Eintrittswahrscheinlichkeit (bezogen auf Spitze und Volumen) mit unterschiedlich wahrscheinlichen Randbedingungen im Becken kombiniert und die Gesamtwahrscheinlichkeit der daraus resultierenden Abflüsse aus dem Becken ermittelt werden, war bisher nicht üblich.

3 Wasserbauliche Mitteilungen (2004) Heft 27 Institut für Wasserbau und THM der TU Dresden Lösungsvorschlag Um eine Risikoabschätzung durchführen zu können, ist es notwendig, die möglichen Randbedingungen aus realistischerweise auftretenden Ereignisabläufen zu kombinieren und auf diese Art Teil-Szenarien (Lastfälle) zu bilden. Diese Teil-Szenarien sollten einerseits voneinander unabhängig sein und andererseits das Spektrum der tatsächlich möglichen Randbedingungen im Rahmen des definierten Systems möglichst abdecken. Um die möglichen Randbedingungen und Systemzustände zu logisch sinnvollen Szenarien zu verknüpfen sind Fehlerbaum- und Ereignisablaufanalysen sehr hilfreich. 3.1 Szenarienbildung Für die Bildung von Szenarien für Hochwasserrückhaltebecken kann man prinzipiell von folgenden möglichen Systemzustände ausgehen: Ordnungsgemäßer Betrieb Verschiedene Varianten mit Teilversagen Totalversagen Der Grundablass (Betriebsauslass) kann aus folgenden Gründen, deren Wahrscheinlichkeit unter anderem von dessen Durchmesser, der Bauart des Einlaufbauwerks und der Lage und Ausbildung des Kontrollquerschnitts abhängt, nicht verfügbar sein: Verklausung zu Beginn eines Hochwasserereignisses Verklausung während eines Hochwasserereignisses (z.b. beim Entleervorgang) Wartung, Revision Mutwillige Beschädigung Der Grund der für die Nichtverfügbarkeit des Grundablasses hat Auswirkungen auf den ebenfalls in die Berechnung eingehenden Anfangswasserstand. Außer bei Verklausung zu Beginn eines Hochwasserereignisses liegt der Anfangswasserstand über dem betriebsgemäßen Ausgangsniveau. Unterkante Im Extremfall ist das Becken bei Eintreffen eines Hochwasserereignisses bis zum

4 128 Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes. Stauziel gefüllt. Bei vorhandenem Bypass (Notauslass) ist eine Entleerung trotz nicht verfügbarem Grundablass zumindest bis auf Bypassniveau möglich. Andererseits kann trotz verfügbarem Grundablass ein höherer Anfangswasserstand vorhanden sein, wenn ein zweites Hochwasserereignis noch während der Entleerungsphase eintrifft. Ob die Hochwasserentlastung als ständig verfügbar angenommen wird hängt hauptsächlich von deren Bauweise inklusive Ableitung ab Einlauf - frei oder überdeckt - mit oder ohne Rechen - mit oder ohne Verschluss Ableitung - Freispiegel (frei oder überdeckt) - Abfluss unter Druck 3.2 Risikoabschätzung Die Risikoabschätzung an sich besteht aus mehreren Teilschritten: 1. Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeit für die Abflüsse unterhalb des Hochwasserrückhaltebeckens (Gefährdungskurven). 2. Ermittlung der Intensitätsparameter (in erster Linie der Wasserstände) infolge der möglichen Abflüsse durch Abflussuntersuchungen für das Untersuchungsgebiet (Pegelschlüssel) 3. Ermittlung von Schadensfunktionen als Zusammenhang zwischen den möglichen Schäden (in Abhängigkeit von der Flächennutzung) und den Intensitäten (Überflutungshöhe, Fließgeschwindigkeit etc.) - meist nur Wasserstands-Schadenfunktion 4. Verknüpfung von Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadenausmaß zum Risiko bzw. zur Risikokurve Schritt 2. bis 4. entsprechen der üblichen Vorgangsweise zur Ermittlung von Risikokurven für hochwassergefährdete Gebiete. In weiterer Folge wird daher nur Schritt 1. genauer ausgeführt.

5 Wasserbauliche Mitteilungen (2004) Heft 27 Institut für Wasserbau und THM der TU Dresden Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeit Die Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeit in dieser Arbeit erfolgt in drei Schritten: 1. Ermittlung der Überschreitungswahrscheinlichkeiten der Wasserstände im Rückhaltebecken für Teil-Szenarien. 2. Umrechnung in Überschreitungswahrscheinlichkeiten für die Durchflüsse unterhalb des Hochwasserrückhaltebeckens für die einzelnen Teil- Szenarien. 3. Gewichtung und Summenbildung zur Ermittlung der resultierenden Überschreitungswahrscheinlichkeit für die Durchflüsse unterhalb des Beckens. Für die Ermittlung der Überschreitungswahrscheinlichkeiten der Wasserstände im Rückhaltebecken wurde das bereits mehrfach veröffentlichte Verfahren nach Hable (2001), das ausgehend von der von Martin und Pohl 1990 veröffentlichten Methode zur Bestimmung der Überflutungssicherheit von Talsperren an der Technischen Universität Graz entwickelt wurde, verwendet. Dieses Verfahren erlaubt es mit Hilfe der Monte Carlo Methode eine große Anzahl von Hochwasserereignissen und Anfangswasserständen (sowie Windereignissen) im statistischen Verteilungsbereich zu simulieren und deren Wirkung auf einen Speicher mit den für die jeweiligen Teilszenarien festgelegten Randbedingungen in Form von resultierenden Wasserständen zu ermitteln. Abbildung 1 zeigt schematisch die zwei (drei) Hauptbelastungsgrößen: Anfangswasserstand h o Erhöhung des Wasserstandes um die Retentionslamelle h r zufolge eines Hochwasserereignisses (erforderliche Freibordhöhe h f zufolge Windereignis) Der Freibordanteil h f infolge Windeinfluss, der in diesem Verfahren die dritte Hauptbelastungsgröße darstellt wurde in dieser Arbeit nicht berechnet, da er für die im Anschluss zu ermittelnden Abflüsse nach dem Becken - schon auf Grund der meist kleinen Speicherflächen - vernachlässigbar ist.

6 130 Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes. Abbildung 1: Speicherschema mit den Hauptbelastungsgrößen: - Anfangswasserstand h o - Retentionslamelle h r zufolge Hochwasserereignis - (erforderliche Freibordhöhe h f ) Da der mögliche Schaden entlang der betrachteten Unterliegerstrecke vom Gesamtdurchfluss unterhalb des Hochwasserrückhaltebeckens abhängt - und nicht vom Wasserstand im Becken - müssen die aus der Berechnung erhaltenen Beziehungen zwischen dem Wasserstand und der Überschreitungswahrscheinlichkeit von Höhen (= Wasserständen) p(h) im Becken umgerechnet werden in Überschreitungswahrscheinlichkeiten für Durchflüsse p(q). Bei einem Hochwasserrückhaltebecken gibt es eine eindeutige Beziehung zwischen Wasserstand im Becken und Abfluss. Je nach Teil-Szenario gehen nur die Hochwasserentlastung oder auch der Grundablass in diese Beziehung ein. Umgekehrt kann für jedes Teil-Szenario also einem bestimmten Abfluss nach dem Sperrenbauwerk eine eindeutige Stauhöhe im Becken zugeordnet werden. Zur Verknüpfung der Überschreitungswahrscheinlichkeiten der einzelnen Teil- Szenarien Si (ein Teil-Szenario entspricht einem zu berücksichtigenden Lastfall) zur resultierenden Überschreitungswahrscheinlichkeit benötigt man die Wahrscheinlichkeit Pi, mit der das jeweilige Teil-Szenario Si eintritt.

7 Wasserbauliche Mitteilungen (2004) Heft 27 Institut für Wasserbau und THM der TU Dresden 131 Diese Wahrscheinlichkeiten Pi können auf Grund mangelnder statistisch verwertbarer Daten nicht direkt berechnet werden. Aufgrund von Erfahrungen beim Betrieb des jeweiligen Hochwasserrückhaltebeckens und bei Becken mit ähnlichen Randbedingungen können mit Hilfe von Ereignisbäumen die Werte von Fachleuten abgeschätzt werden. Ausgedrückt werden sie als Gewichtung des jeweiligen Szenarios bei der Summenbildung. Die resultierende Gesamtwahrscheinlichkeit aus allen Szenarien ergibt sich damit zu (1) p ( Q) = P p ( Q) + P p ( Q) + P p ( Q) P p ( Q) res n 1 1 Sz, 1 mit P = 1 i 2 Sz, 2 3 Sz, 3 n Sz, n 4 Fallstudie Prätisbach Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens soll nun am Beispiel des Hochwasserrückhaltebeckens Prätisbach gezeigt werden. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Daten der untersuchten Hochwasserrückhalteanlage zu finden. Das Sperrenbauwerk besteht aus einem geschütteten Erddamm, durch den der steuerbare Grundablass geführt wird. Die Neigung der luft- und wasserseitigen Böschung beträgt 1:2. Die Dammkrone befindet sich auf Kote 473,00 m ü. A., besitzt eine Länge von 80,0 m und eine Breite von 5,0 m. Tabelle 1 Kenndaten des Hochwasserrückhaltebeckens Prätisbach In Betrieb seit 1986 Stauhöhe h [m] 15,8 V-nutzbar [m³] Kontrollquerschnitt Unterwasserseitig, Doppelhakenschütz Steuerung ja, elektrisch Bypass nein A E [km²] 20,0 H min [m ü. A.] 459,00 H max [m ü. A.] 1.060,0 HQ 100 zu/ab [m³/s] 34,5 / 4,0 Ein mönchartiges Einlaufbauwerk dient zur Einhaltung des Grundseestauzieles. Die Hochwasserentlastung wurde als freier Überfall über die Dammkrone mit

8 132 Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes. anschließendem Raubettgerinne ausgebildet. Ca. 400 m flussaufwärts der Anlage befindet sich eine Geschiebesperre mit Wildholzrechen. Das Hochwasserrückhaltebecken Prätisbach wurde zum Teil mehrmals jährlich eingestaut. Als problematisch im Betrieb erwies sich einerseits der Einlaufbereich, der beim Abstauvorgang auf Grund des in den Stauraum eingetragenen Schlammes und Totholzes verlegt wurde, was eine vollständige Entleerung verhinderte. Die Räumarbeiten am Wildholzrechen und im Grundsee waren aufwendig. Ein weiteres Problem stellt die elektrische Steuerung im Unterwasser dar, die während Gewittern durch Blitzschlag bedingt häufig ausfällt. Die Aufteilung in Teilszenarien erfolgte aufgrund der Erfahrungen im Betrieb. Szenario LF1 stellt den ordnungsgemäßen Betrieb dar. Die Szenarien LF3a und LF3c werden ohne verfügbaren Betriebsauslass, jedoch mit unterschiedlichen Anfangswasserständen gerechnet Beim Szenario LF4 ist der Grundablass voll verfügbar bei variablem Anfangswasserstand. Die Hochwasserentlastung wurde auf Grund der unempfindlichen Bauweise (freier Überfall ohne Einbauten, große Überfallbreite) grundsätzlich als vollverfügbar angesetzt. Abbildung 3 und 4 zeigen die Berechnungsergebnisse für ausgewählte Lastfälle. 1 0,9 p=f(h), LF1, LF3a, LF3c, LF4, linear Wahrscheinlichkeit p [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Lastfall 1 (LF1) Lastfall 3a (LF3a) Lastfall 3c (LF3c) Lastfall 4 (LF4) 0 470,50 467,00 468,00 469,00 470,00 471,00 472,00 473,00 Stauziel Dammkrone Höhe H [m ü.a.] Abbildung 2: Überschreitungswahrscheinlichkeit des Wasserstandes für die Szenarien LF1, LF3a, LF3c, LF4 in logarithmischem Maßstab

9 Wasserbauliche Mitteilungen (2004) Heft 27 Institut für Wasserbau und THM der TU Dresden 133 Prätisbach: p=f(q), LF1, LF3a, LF3c, LF4, linear 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 Lastfall 1 (LF1), HWE+GA Lastfall 3a (LF3a), HWE ohne GA Lastfall 3c (LF3c), HWE ohne GA Lastfall 4 (LF4), HWE + GA 0,55 0,5 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 Abfluss Q [m³/s] Abbildung 3: Überschreitungswahrscheinlichkeit der Durchflüsse für die Szenarien LF1, LF3a, LF3c, LF4 in linearem Maßstab Summenhäufigkeit Σ p=f(q) (logarithmisch) 1,00E+00 Summenhäufigkeit Σp 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 1,00E-05 1,00 10,00 100,00 Abfluss Q [m³/s] Abbildung 4: Gefährdungskurve des HRB Prätisbach Tabelle 2 Tabellen-Text als Tabelle (vor) im Kopf markieren. Teilszenario LF1 LF3a LF3b LF3c LF4 Wahrscheinlichkeit 0,93 0,03 0,02 0,01 0,01

10 134 Bewertung von Hochwasserrückhaltebecken mit Hilfe eines risikoorientierten Ansatzes. In Tabelle 2 sind die Gewichtungen für die einzelnen Teilszenarien zu finden, die resultierende Gefährdungskurve in Abbildung 5. 5 Zusammenfassung Die Schäden infolge Hochwasser nehmen ständig zu. Auch mit aufwändigen Verbauungen wird nie ein absoluter Schutz vor den Gefahren des Hochwassers erreicht werden können. Das erfordert eine risikoorientierte Vorgangsweise bei der Beurteilung von Maßnahmen. In diesem Beitrag wird eine Methode zur Risikoabschätzung und bewertung von Hochwasserrückhalteanlagen für häufige bis sehr seltene Ereignisse vorgestellt. Dazu wird die Wirkung von Hochwasserrückhaltebecken auf den unmittelbar anschließenden Unterliegerbereich für häufige bis sehr seltene Ereignisse unter Einbezug möglicher Teilversagenszustände ermittelt. 6 Literatur Hable, O. (2001): Multidimensional probabilistic design concept for the estimation of the overtopping probability of dams. Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft 37, Dissertation an der Technischen Universität Graz Hable, O., Bergmann, H., Krainer, R. (2000): Betriebliches Datenmanagement als Grundlage zur Risikoanalyse von wasserbaulichen Anlagen. Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft 34. Betrieb und Überwachung wasserbaulicher Anlagen. Graz 2000 Martin, H., Pohl, R. (1990): Die Überflutungsicherheit von Talsperren. Wasserbauliche Mitteilungen der Technischen Universität Dresden, Sektion Wasserwesen 2 (2). Dreseden Autoren: Dipl.-Ing. Dr. Rosa Krainer Dipl.-Ing. Dr. Oskar Hable Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität Graz HTL Pinkafeld Stremayrgasse 10 Meierhofplatz 1 A 8010 Graz A 7423 Pinkafeld Tel.: Tel.: Fax: Fax:

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